纳米尺度下流体流动阻力分析的分子模拟

The unique flow properties of fluid confined in the nanosale have become the focused research in both academia and industry. The flow control of fluids at the nanoscale has vital significance to the high efficient separation of fluids. Flow resistance analysis of fluids is the key to clarify the controlling mechanism of fluid flow at the nanoscale. The role of interactions between wall and fluid has a remarkable increase at the nanoscale, resulting in unique flow properties for separation processes. The key problem is how to quantitatively describe the effect of nanopore properties and other factors on the fluid flow resistance. In this project, the innovation is to carry on the molecular simulation study to analysis of flow resistance at the nanoscale by keeping the pore walls moving to make the confined fluid directed flow. The analysis of flow resistance can be quantitatively described by the friction coefficient (wall-fluid interactions) and fluid viscosity（fluid-fluid interactions） under nanoconfinement. We propose to evaluate the variation of factors such as nanopore properties (i.e. pore size, chemical heterogeneity of pore wall) and so on to the friction coefficient and fluid viscosity. To establish the quantitative relationship between the factors with the friction coefficient and viscosity, we define the perimeter of hydrophobic region to characterize the pore wall chemical heterogeneity and adopt the hydration factor and average hydrogen bond number to reflect complicated microstructure of fluids. The project aims to quantitatively describe the fluid flow resistance and explore the controlling factor in the flow process and further predict the flux and selectivity of fluids in different nanopores. The research results will explain the unusual phenomena of fluid flow and provide useful information to clarify the transport mechanism at the nanoscale and to guide the design of membrane materials with high flux and high selectivity.

流体在纳米尺度下所呈现的特性是目前各领域关注的热点，如何控制纳米尺度下流体流动，对实现流体的高效分离具有至关重要的意义。流体流动阻力分析对于揭示流体流动的受控机制起到关键作用。纳米尺度下，壁面对流体分子的影响显著增强，如何定量描述孔性质等因素对流体流动阻力的贡献是难点所在。本项目创新地采用赋予壁面定向速度，驱动流体运动的方式，开展分子模拟，用于纳米尺度流动阻力分析。将摩擦系数作为壁面对流体流动阻力的表征，粘度看作流体自身流动阻力的表征。着重考察孔性质（孔尺寸、化学非均一性）等因素变化对典型流体（水、醇、离子水溶液等）摩擦系数、粘度的影响。使用疏水区域总周长定量表征壁面化学性质；水化因子、平均氢键数等定量表征流体微结构；弄清各影响因素对流体流动阻力的贡献，确定关键控制因素，预测通量与选择性，解释纳米尺度下流体流动的反常现象，为纳米受限下流体传递机制提供依据，指导高通量、高选择性膜材料的设计。

流体在纳米尺度下所呈现的特性是目前各领域关注的热点，如何控制纳米尺度下流体流动，对实现流体的高效分离具有至关重要的意义。流体流动阻力分析对于揭示流体流动的受控机制起到关键作用。本项目将摩擦系数作为壁面对流体流动阻力的表征，针对如何定量描述孔性质等因素对流体流动阻力的贡献这一难点，创新地采用赋予壁面定向速度驱动流体运动的方式，开展分子模拟用于纳米尺度流动阻力分析。通过对不同孔性质、典型流体体系开展系统研究，建立了基于壁面定向滑动驱动流体的方式考察纳米尺度流动阻力的新方法，发现随着壁面亲水性的提高，壁面与水分子的摩擦作用增强，同时壁面的亲水作用改变了临近壁面第一层水的取向，增加了层间水分子形成氢键的机会，进而增强了受限水分子的相互作用。这两方面因素共同导致了整体流动阻力的提高。在分子模拟研究基础上，以氧化钛表面纳米受限流体（水分子等）为主要研究对象，搭建了基于原子力显微镜的受限流体流动行为表征平台，发现由于受到材料表面不同结合强度水分子的排布影响，导致粗糙度比致密氧化钛薄膜高10.5倍的具有介孔结构氧化钛薄膜，其摩擦系数比前者低26倍。通过分析表面粗糙度及化学性质对纳米受限流体的摩擦力和粘附力的影响，从实验的角度证实了模拟预测提出的氧化钛表面流体分子流动的特殊现象。与此同时，基于流体流动阻力的分子模拟的分析指导多孔材料设计，设计K-Na离子选择性对电场强度具有响应的纳米孔道等。工作共发表论文11篇，其中有多篇在Fluid Phase Equilibria，Langmuir，ACS Appl. Mater. Interfaces.，Microfluidics and Nanofluidics等国际知名期刊上发表，SCI论文8篇，其中2篇影响因子在4以上; 被EI索引收录9篇。参加国内外学术会议，其中作口头报告5次，包括受邀作国际会议keynote报告1次；墙报4次。获第3届国家自然基金委化学工程青年科学家论坛“优秀学术报告奖”。培养研究生8名，其中博士2名获得学位。通过本项目的研究，从分子层面深化了对纳米受限下流体流动阻力的认识，为纳米受限下流体传递机制的建立提供了依据，从调控流体流动阻力出发为指导多孔材料的设计提供了全新思路，达到了项目预期的研究目标。